16. Действие электрического и магнитного полей на движущиеся заряды
Пример 16.1. Найти траекторию движения электрона в однородном магнитном поле, если , где Тл, м, м/с.
Математическая модель
(1)
где - векторное произведение, которое можно найти по правилу Крамера
. (2)
Решение
Подставляя начальные значения в (2) получаем уравнение движения для электрона
(3)
В декартовых координатах уравнение движения (3) может быть представлено в виде системы уравнений
(4)
Эта задача допускает аналитическое решение, электрон движется по винтовой линии радиуса с шагом винтовой линии и временем обращения (периодом) . Для вычисления этих параметров заметим, что два последних уравнения образуют замкнутую подсистему
(5)
Переходя к переменной , получаем однородное дифференциальное уравнение
(6)
где -круговая частота электрона на проекции траектории в плоскости , тогда период . Решение уравнения (6) имеет вид
, (7)
соответственно, , . В момент времени , м/с, м/с, следовательно, Чтобы вычислить радиус витка винтовой линии необходимо интегрировать второе и третье уравнение системы (4), тогда
(8)
Применяя начальные условия к (8), получаем , , тогда из (8) легко можно получить каноническое уравнение второго порядка
(9)
Таким образом, ось винтовой линии параллельна оси и пересекает координатную плоскость в точке радиус витка линии равен , а шаг винтовой линии равен . Подставляя численные значения получаем: с-1, м, с, м.
Для графического представления траектории движения иногда проще рассчитать и построить сложную пространственную кривую, чем делать график при помощи чертежных приспособлений. Для этого в составе всех универсальных математических пакетов имеется графический инструментарий. Здесь приведен рабочий документ пакета Maple, в котором приведен код расчета траектории электрона
Достарыңызбен бөлісу: |